第四讲-土石方开挖与填筑5.ppt

第三章土石方开挖与填筑,土石的分类土石的分类繁多，其分类法也很多，如按土石的沉积年代、颗粒级配、密实度、液性指数分类等。在工程施工中，按土的开挖难易程度将土石分为八类如下表，这也是确定工程劳动定额的依据。,土的工程分类,土的工程性质土的工程性质对土方工程施工有直接影响，也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料。土的主要工程性质有：土的可松性、渗透性、密实度、抗剪强度、土压力等。,土具有可松性即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。土的可松性程度用可松性系数表示，即土的渗透性是指土体被水透过的性质。土体孔隙中的自由水在重力作用下会发生流动，当基坑开挖至地下水位以下，地下水在土中渗透时受到土颗粒的阻力，其大小与土的渗透性及地下水渗流路线长短关。,最初可松性系数最后可松性系数,（3）容重：天然状态土的单位体积重量称为容重，它是显示土壤密实程度的主要标志。（4）含水量：土中所含水分的重量与土的固体颗粒重量之比称为土的含水量。以百分数表示。“反映了土的物理力学性状，对工程地基的施工、土方的开挖与填筑、土方的密实有直接的影响。,土方量的计算,1、基坑、基槽、土方量的计算土方量可按拟柱体积的公式算：,式中V土方工程量，H，F1，F2如下图所示。F1、F2分别为基坑的上下底面积，F0为中截面面积，,a）基坑土方量计算；b）基槽、土方量计算,2、场地平整土方工程量计算零线的概念：（1）四棱柱体计算法全挖或全填二挖二填一（三）挖三（一）填部分挖填：,2、场地平整土方工程量计算（2）三棱柱体计算法全挖或全填部分挖填：,2、场地平整土方量的计算在场地平整土方工程施工之前，通常要计算土方的工程量。但土方外形往往复杂，不规则，要得到精确的计算结果很困难。一般情况下，可以按方格网将其划为一定的几何形状，并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算。其计算步骤如下：划分方格网计算各角点的地面标高计算各角点的设计标高计算各角点的施工高度计算零点、绘出零线计算各方格内的挖填方体积统计挖、填方量调整设计标高,场地设计标高确定,设计标高确定一般方法：,工程实例：计算方格网零点及其零线零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为零。零线的确定方法是：在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出（下图）方格边线上零点的位置，再将各相邻的零点连接起来即得零线。,某建筑场地地形图和方格网（边长a=20m）布置如图。土壤为二类土，地面泄水坡度ix=0.3%,iy=0.3%。试确定场地设计标高（不考虑土的可松性影响）并计算挖、填土方量。,143.03,243.70,344.15,444.48,542.79,642.99,743.40,843.94,941.88,1042.20,1142.56,1242.79,二、土方调配,目的：使土方总运输量（m3m）最小或施工费用最低,1、调配区划分、平均运距、施工单价：,2、表上作业法：初始调配方案最优方案判别方案调整检查校核,土方平衡与施工运距,各调配区的土方量和平均运距,某土方调配工程，其土方工程量和运距见下表：,试用线性规划方法确定初始调配方案和确定最优方案,挖掘机基坑土方开挖一般均采用挖掘机施工，对大型的、较浅的基坑有时也可采用堆土机。挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式两种。按传动方式分为机械传动和液压传动两种。斗容量有0.2m3、0.4m3、1.0m3、1.5m3、2.5m3等多种。挖掘机利用土斗直接挖土，因此也称为单斗挖土机，按土斗作业装置分为正铲、反铲、抓铲及拉铲，使用较多的是前三种。,正铲适用于开挖停机面以上的土方，且需与汽车配合完成整个挖运工作。正铲挖掘机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。一般用于大型基坑工程，也可用于场地平整施工。,正铲挖土和卸土的方式根据正铲挖土机与运输汽车的相对位置不同，正铲挖土和卸土方式有以下两种：（1）正向挖土、后方卸土。（2）正向挖土、侧向卸土。,3正铲挖土机的工作面及开行通道挖土机在一个停机位置所能开挖到的工作面称为掌子，也叫掌子面。工作面的大小和形状，一般根据机械的性能、挖土和卸土的方式以及土壤的性质等因素来确定。根据工作面的大小和基坑的断面，即可布置挖土机的开行通道。,反铲适用于开挖一至三类的砂土或粘土。主要用于开挖停机面以下的土方，一般反铲的最大挖土深度为46m的基坑，经济合理的挖土深度为35m。反铲也需要配备运土汽车进行运输。,反铲挖土机的开行方式及施工方法反铲挖土机的开行方式有沟端开行和沟侧开行两种。（1）沟端开行。挖土机位于基槽一端挖土，随挖随退，后退方向与基槽开挖方向一致。其优点是挖土方便，开挖的深度和宽度都较大。反铲挖土机如能在基槽两侧卸土，其最大挖土宽度为17倍挖土机的有效挖土半径。如基坑宽度超过1.7倍挖土机的有效挖土半径时，则可将基坑分条平行开挖。,（2）沟侧开行。挖土机位于基槽一侧挖土，随挖随平行于基槽移动。由于挖土机移动方向与挖土方向相垂直，所以机身稳定性较差，开挖的深度和宽度均较小，最大宽度为0.8倍挖土机的有效挖土半径，但可就近卸上堆置。一般在场地宽敞的临时性窄沟开挖中采用。,抓铲对施工面狭窄而深的基坑、深槽、深井采用抓铲可取得理想效果，也可用于场地平整中的土堆与土丘的挖掘。抓铲还可用于挖取水中淤泥、装卸碎石、矿碴等松散材料。抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业。,拉铲拉铲适用于一至三类的土，可开挖停机面以下的土方，如较大基坑（槽）和沟渠，挖取水下泥土，也可用于大型场地平整、填筑路基、堤坝等。,推土机推土机适于推挖一至三类土。用于平整场地，移挖作填，回填土方，堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。推土机的作业效率与运距有很大关系，下表为直铲作业时的经济运距。,推土机,下列作业条件下宜选用推土机:配合开挖机械作掌子面清理、渣堆集散工作；具备挖掘机工作条件地段的土石推运(如炮台清理、边坡修整等)；施工场地广阔，大方量嵌合紧密的坚实黏土及软岩的开挖；小型基坑及不深的河渠土方开挖；弃渣场的平整；配合铲运机开挖助推。,为提高推土机的生产率，可采用以下几种施工方法。（1）下坡推土。在不大于15的斜坡上，推土机顺坡向下切土、推运，借助机械本身的重力作用，增大切土深度，缩短铲土时间，可提高生产率30左右。（2）并列推土。平整大面积的场地时，为了增大铲刀前土壤的体积，一般采用台推土机并列推土。这样可以减少土的散失，提高生产率，并可增大推土量1530。两台推土机刀片间距保持3050cm，平均运距不宜超过5075，不宜小于20。,（3）槽子推土。利用已推过的土槽再次推土，可以减少铲刀前土的散失。当土槽推到一定程度，再推土埂。一般推土量可提高1030。这种方法适宜于挖土层较厚、运距较远的工程。（4）分批集中，一次推送。当推运距离较远且土质又较坚硬时，由于铲刀切土深度较小，可将铲起的少量土先集中在几个中间地点，再一次推送，以便在铲刀前保持满载，有效地利用推土机的功率，缩短推运时间。,（5）附加侧板。在铲刀两侧设置挡土板，增加铲刀前土的体积，以减少土的散失，提高生产率。,铲运机铲运机是一种能综合完成挖、装、运、填的机械，对行驶道路要求较低，操纵灵活，生产率较高。按行走机构可将铲运机分为拖拉机式铲运机和自行式铲运机两种；按铲斗操纵方式，又可将铲运机分为钢索式和液压式两种。,可选用装载机作为主要挖装机械:挖三级以下土方；挖装松散土方、沙砾石及爆破后快度适宜的石渣；利用推土机带松土器对坚实黏土、冻土和软岩破碎后的土石方挖装；由于施工场地狭窄，不便于挖掘机进入作业面作业的土石方挖装；具有分散的作业点，但每个作业点土石方挖装量均不很大；掌子面高度、装车台阶高度和作业面宽满足装载机作业要求；运距短，可以使用装载机同时完成挖运作业。,铲运机,铲运机的开行路线铲运机由挖至卸运行的循环路线称为开行路线。开行路线合理与否，将直接影响生产效率，所以要预先根据挖填方区的分布合理地组织。开行路线一般有以下两种形式：（1）环形路线。（2）字形路线。,提高铲运机生产率的措施（1）下坡铲土。借助机械本身自重的作用，来加大切土深度和缩短铲土时间。但纵坡不得超过25，横坡不得超过6；铲运机不能在陡坡上急转弯，以免翻车。（2）推土机助铲。在较硬的土层中用推土机在铲斗后助推，可加大铲刀切削力、切土深度和铲土速度。推土机在助铲的空隙时间可兼做松土或平整工作，为铲运机创造工作条件。,提高铲运机生产率的措施（3）双联铲运法。当拖拉式铲运机的牵引力有富裕时，可在拖拉机后面串联两个铲斗进行双联铲运。如果土质较硬，可用双联单铲操作，即先将一个土斗铲满，再铲第二个土斗；对于松软的土，则用双联双铲，即两个土斗同时推土。,推土机（索式、液压式）特点：操作灵活工作面小速度快转移方便能爬30坡适用范围：场地清理平整1.5m以内的基坑开挖和沟槽回填堆筑堤坝配合挖土机集土适用于一三类土作业方法：槽形推土下坡推土并列推土工作距离：100m最佳距离：3060m铲运机（索式、液压式）特点：操作灵活综合挖运卸平运转方便效率高道路要求低适用范围：地形起伏小大面积场地平整大型基坑沟槽开挖筑填路基适宜松土和普通土,工作距离：拖式300800m自行式8001500m作业方法：环形8字形下坡铲土法跨铲法助铲法单斗挖土机（挖掘机）（机械式液压式）特点：挖土方便灵活效率高可适应不同条件施工需装卸汽车配合适用范围：地形起伏大挖土深、高土方量大工作面条件差作业方法：特点：正铲挖土机正挖侧装正挖反装前进向上强制切土反铲挖土机沟端开挖沟侧开挖后退向下强制切土拉铲挖土机沟端开挖沟侧开挖后退向下自重切土抓铲挖土机正抓侧装正抓反装直上直下自重切土,运输机械1.循环式运输机械2.连续式运输机械皮带运输机,挖运机械数量计算,挖运机械设备的生产能力工程的工期决定了施工强度，施工强度决定了所需的填筑能力，在掌握挖运机械设备的生产能力的基础上，可以决定所需挖运机械设备数量。,挖掘机械的生产率,挖掘机的生产率P(m3/h)式中，q土斗的几何容积，m3；n每分钟循环工作次数（单斗挖掘机），每分钟倾倒的土斗数量（多斗挖掘机）；KH土斗的充盈系数，表示实际装料体积与土斗的几何容积的比值；Kp土的松散系数，表示挖土前实土与挖土后松土体积的比值；KB时间利用系数；Kt联合作业延误系数，考虑运输工具影响挖掘的工作时间。,运输机械的生产能力,循环式运输机械的生产能力（m3）式中，q运输工具装载的有效方量，m3；T1一台班的时间，min；T2一台班内运输工具的非工作时间，min；t运输工具周转一次所需时间，min。,周转一次所需时间,对于工地常用的汽车、拖拉机，式中，t1装车时间，min；t2卸车时间，min；L运距，m；v平均行驶速度，km/h。（拖拉机，3.55km/h。汽车，一般工地道路，520km/h；改善路面的道路，2530km/h。）,运输机械数量的确定,循环式运输机械数量n的确定：式中，QT运输强度（每台班需运输的总方量），m3。q运输工具装载的有效方量，m3；T1一台班的时间，min；T2一台班内运输工具的非工作时间，min；t运输工具周转一次所需时间，min。,带式运输机的生产率P(m3/h)式中，K带形系数；v带的运行速度，m/s；B带宽，m；KB时间利用系数；KH充盈系数；Kp土的松散系数，表示挖土前实土与挖土后松土体积的比值；Kd土石粒径系数，粒径为0.10.3倍带宽者，取0.75；粒径为0.050.09倍带宽者，取0.9；对细粒材料，取1；K0倾角影响系数，倾角越大，系数越小。,挖运强度的确定,土石施工的挖运强度取决于土石的填筑强度；土石的填筑强度取决于各施工阶段要求完成的填筑方量。,填筑强度,(m3/d)式中，V分期完成的填筑设计方量，m3；（以实方计）Ka沉陷影响系数，可取1.031.05；K施工不均衡系数，可取1.21.3；K1作业土料损失系数，可取0.90.95；T施工分期时段有效工作天数，d。,运输强度,根据填筑强度QD确定，(m3/d)式中，K2运输损失系数，可取0.950.99；Kc压实影响系数，为设计干容重与土料运输的松散容重之比。,开挖强度,根据填筑强度QD确定，(m3/d)式中，Kc压实影响系数，为设计干容重与料场土料天然容重之比。K3开挖损失系数，可取0.920.97。,挖运机械数量的确定,采用正向铲和自卸汽车配合是最普遍的挖运方案。挖掘机的斗容量和自卸汽车的载重量要求有合理的匹配关系。应复核挖掘机的装车斗数，即装满一辆自卸汽车所需挖掘机的斗数。,挖掘机自卸汽车的匹配,式中，Q自卸汽车的载重量，t；q选定挖掘机的斗容量，m3；gc料场土料天然容重，kg/m3;Kp土料的松散影响系数；KH挖掘机土斗充盈系数。,挖掘机自卸汽车的匹配,如m过大，说明挖掘机的斗容量太小，汽车等待时间太长；如m过小，说明自卸汽车的载重量太小，换车过于频繁，等候时间太长。通常应使一台挖掘机所需的n辆汽车所具有的生产能力略大於该台挖掘机的生产能力。式中，Pa一辆汽车的生产率，m3/h;Pc一台挖掘机的生产率，m3/h。,挖掘机和汽车的数量,满足高峰施工期填筑强度的挖掘机的数量应为：满足高峰施工期填筑强度的汽车总数应为：QCmax和QTmax分别为高峰施工期开挖及运输土料的最大强度（m3/h）。,综合机械化方案选择原则,宜减少配套机械种类，同一类型的施工机械，其型号、生产厂家不应过杂。应选择合适施工技术水平和管理维修水平，零配件易于解决，技术性能先进的施工机械。应优先选用通用施工机械，特定施工条件可考虑选用专用施工机械。必须保证关键线路工程施工进度。,综合机械化方案选择原则,施工机械配套组合时，应先确定起主导机械，再确定配套机械，其生产能力应略大于主导机械的生产能力计算施工机械数量时，必须满足各施工期施工进度和强度的要求，并应考虑各种施工条件造成的施工不均匀程度。应进行技术经济比较，确定机械类型和数量。,开挖和运输机械选择一般要求,应优先选用正铲挖掘机作为大体积集中土石方开挖的主要机械。选择挖装机械时，应考虑挖装机械对梯段高度、岩石块度、工作面宽度和装车台阶高度等方面的要求。运输机械主要选用不同类型和规格的自卸汽车。自卸汽车的装载容量应与挖装机械相匹配，其容量宜取挖装机械铲斗斗容的3倍6倍。,爆破基本原理及药量计算,爆破作用机理爆破破坏原因的几种假设气体膨胀推力破坏理论爆轰气体产物膨胀所产生的推力，使质点移动加剧,应力波反射理论自由面上应力波反射变为拉伸波，该理论比较成熟气体推力与反射应力波共同作用理论,无限介质中的爆破机理,药包,松动圈,压缩圈,抛掷圈,震动圈,炸药爆炸的条件爆炸：某一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，其内能高速释放而对周围介质做功的过程。物理爆炸核爆炸化学爆炸：由于炸药获得一定的起爆能量后，迅速发生化学反应，放出大量的热能，并生成高温、高压气体对岩石做功的结果。,炸药爆炸的条件条件反应过程释放足够的热能反应过程迅速短时间产生大量高温、高压气体反应过程生成大量的气体气体压缩产生势能反应过程自动进行传播,爆破漏斗:当爆破在有临空面的半无限介质表面附近进行时，若药包的爆破作用具有使部分破碎介质具有抛向临空面的能量时，往往形成一个倒立圆锥形的爆破坑，形如漏斗，称为爆破漏斗,几何特征参数：1）最小抵抗线长度W；2）爆破漏斗底半径r；3）爆破破坏半径R；4）可见漏斗深度P；5）抛掷距离L。爆破漏斗的几何特征反映了药包重量和埋深的关系，反映了爆破作用的影响范围。,分类几何特征参数反映了药包重量（能量）和埋深的关系爆破作用指数n=1r=W标准抛掷爆破=450n1rW加强抛掷爆破4500.33450无岩块抛掷n450内部爆破，只造成介质破坏，不产生爆破坑爆轰气体产物膨胀所产生的推力，使质点移动加剧,分类可见漏斗深度：P=cW(2n-1)=cW(2r/W-1)当n4；75mm，孔深5m浅孔：孔径75mm，孔深5m,H,h,b,a,Wp,孔眼爆破（浅孔、深孔）设计要求满足设计要求，技术可行、安全可靠、经济合理严格控制爆破危害，防止发生不安全事故爆堆爆渣应有利于挖装作业力求选用高效率的钻孔机械采用技术可靠、经济合理的新技术、新材料重点控制钻孔方向,孔眼爆破（浅孔、深孔）设计要求注意清孔必须堵塞良好，禁止用石块和易燃材料堵塞,孔眼爆破（浅孔、深孔）布孔方式垂直孔简单倾斜孔爆破效果好，但钻孔复杂，质量要求高水平孔,孔眼爆破（浅孔、深孔）布孔方式,孔眼爆破（浅孔、深孔）参数设计梯段高度H812m钻孔直径D80、90、100、150mm孔斜不小于600一般为750孔深L垂直孔深L=H+h倾斜孔深L=（H+h）/sin超深hh=(0.15-0.35)W或h=(0.12-0.30)W,孔眼爆破（浅孔、深孔）参数设计底盘抵抗线W按钻孔作业安全条件W=HCot+BB-钻孔中心到坡顶线的安全距离，2.5-3.0m按台阶高度W=(0.6-0.9)H按炮孔直径计算W=nDn-与炮孔倾角、岩石硬度有关的系数，20-40,孔眼爆破（浅孔、深孔）参数设计孔距a和排距ba=mWm-密集系数（0.8-1.4）a=1.25b当排间孔呈等边三角形错开布置时，b=0.866a堵塞长度LL(0.75-1.0)W或L(20-40)D,孔眼爆破（浅孔、深孔）参数设计单位炸药消耗量岩石的爆破性炸药的威力自由面条件破碎块度的要求单孔装药量QQ=qaWH多排爆破时，从第二排孔起，以后各排孔的每孔装药量为Q=kqabHk=1.1-1.2,洞室爆破法特点一次爆落方量大，凿岩工作量少，受自然因素影响小，减少爆破次数，但开挖专门的导洞和药室，爆破后岩石块体不均匀，同时，爆破时引起大的地震适用条件挖填方集中，并需在短期内发挥效益的重点工程山势陡险进行土石方开挖劳动力缺乏，无大型施工工具的地区，对块体无特殊要求分类定向爆破、抛掷爆破、松动爆破、崩塌爆破,改善爆破效果的方法采用或创造人工自由面（临空面）采用微差挤压爆破分段装药爆破不耦合装药：药包与孔壁（洞壁）间留一定空气间隙，降低过度粉碎岩石保证堵塞长度和堵塞质量,土方的填筑与压实,影响填土压实因素填土压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素为：压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。填土压实的质量控制。选择好填土的材料。控制适宜的含水量。填土的压实要达到一定的密实度的要求.填土的压实度用压实系数来表示：填土的压实方法有碾压、夯实和振动压实等几种。,影响填土压实因素填土压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素为：土的类别、压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。1、土的类别的影响根据颗粒级配或塑性指数上可分为黏性土和非黏性土（砂土和碎石类土）。黏性土由于其颗粒小（0.005），孔隙比和压缩性大，颗粒间的间隙又小，透气排水困难，所以压实过程慢，较难压实。而砂上由于其颗粒粗（20005mm），孔隙比和压缩性小，颗粒间的间隙大，透气排水性好，所以较容易压实。对这两类土施加相同的压实功后，砂上所获得的干密度大于初性土所获得的干密度。,2含水量的影响：填土中的含水量是影响压实效果的重要因素。土粒间含有适量的自由水，可在压实过程中起润滑作用，减小土粒间相对移动的阻力，因而易于压实；若土粒间含水量很小，在压实过程中不足以产生润滑作用，需要较大的压实功才能克服土粒间的阻力，所以难压实；,如果土粒间含水量过大，土体处于饱和状态，而水又是不可压缩的，施加的压实功的一部分为水所承受，则土体不可能压实。当压实功一定时，变化含水量至某一值，可使填土压实后获得某一最大于密度，该含水量称为最佳含水量。,3压实功的影响：在同类土中施加不同的压实功，可得到若干条相应的含水量与干密度的关系曲线。可以看出：（1）当填土中的含水量较小时，若要求压实效果相同，含水量不同，需要施加的压实功不同，即当要求压实效果相同时，干土要比湿土多消耗压实功；（2）当填土中的含水量增大至某一限度时，压实功的增加也不能改善压实效果；（3）当填上的含水量在某一适当值时，开始压实，土的干密度会急剧增加；待到接近土的最大干密度时，压实功虽增加许多，而土的干密度则没有多大变化。,由此可以看出，盲目增大压实功不仅不能增加压实效果，反而降低了压实功效。此外，大面积松土不宜用重型碾压机械直接滚压，否则土层有强烈起伏现象，压不实。如果先用轻型碾压实，再用重型碾压实，就会取得较好效果。,4铺土厚度的影响：土层在压实功的作用下，其压应力随深度增加而逐渐减小，因而土层经压实后，表层的密实度增加最大，超过一定深度后，则增加较小或没有增加。其影响深度与压实机械、,土的性质和含水量等有关。铺土厚度应小于压实机械的影响深度，铺得过厚，需